分布式户用光伏与冰蓄冷空调协调控制研究

孙建波 王海鸣 曾伟明 方华亮 李大虎 许沛东 陈睿博

(1. 国网湖北省电力公司， 武汉 430077；2. 武汉大学 电气工程学院， 武汉 430072)

随着社会的发展进步，人们对能源的需求越来越大，在能源短缺的形势下，新能源的开发和利用成为了人们的焦点．光伏是新能源发电之一，而且光伏板可以铺设在居民的屋顶，可以节省土地资源．居民可以使用光伏产生的电能为用电设备供电，这样既节省了能源也省去了电费．光伏具有随机性[1]，白天有光照的时候电能比较充足，而到了晚上电能较少．这与居民的用电习惯发生了冲突，因为居民大多白天外出工作，因此白天用电量较少，呈现用电低谷的状态，而夜晚回到家后用电量明显增加，出现用电高峰．若想在夜间使用光伏产生的电能则需要解决光伏的逆调峰．

光伏与负荷联合实时消纳，与应用有机结合，由光伏产生的电能被即时消纳，如光伏在路灯中的应用，可移动安装，灵活方便[2]、光伏在农业中的应用，为大棚供暖[3]；或者将产生的电能储存起来，在负荷高峰时释放电能，达到削峰填谷、减少系统备用需求的作用[4]．国内外一直在研究光伏存储技术，应用最多的是使用蓄电池储能，后来使用飞轮电池储能，随着超导技术的发展，超导储能也变得越来越主流[5]，现在也较多利用光伏控制电机将空气压缩储能[6]，目前比较成熟的储能方法是用太阳能光伏抽水蓄能[7]．

人们生活水平的提高，导致空调能耗所占的比例越来越大．空调已经成为电力系统中的耗能“大户”，在我国某些地区，空调设备的耗电量超过了城市总用电量的40%[8]．农村等地区空调的耗电量逐渐增加，电网升级缓慢，无法满足用电高峰所需电量，造成了夏季高峰用电困难．将光伏和用户联合起来，提高光伏的利用率，减少弃光，实现光伏的逆调峰是解决用电困难的可行方式．

本文提出光伏+冰蓄冷空调运行模式，将太阳能以冰的形式存储下来利用．给出了光伏+冰蓄冷空调系统的结构和系统的协调控制方法，接着对某一地区的冰蓄冷空调系统和常规空调的经济性进行分析，证实了光伏+冰蓄冷空调系统的经济可行性．

1 光伏+冰蓄冷空调系统结构

为了解决目前能源紧缺，电网中城市用电峰谷差日趋加大的问题，越来越多的用户使用户用太阳能供电．而为了适应居民日出夜归的生活习惯，本文将光伏发电系统与冰蓄冷空调相结合．光照强度大时，制冷负荷较大，而光照强度小时，制冷负荷通常较小，而且空调制冷可以间歇工作，不受光伏波动性影响．

所谓冰蓄冷空调，就是在电力负荷低时，即用电低谷期空调电动制冷机工作制冷，利用蓄冷介质的显热特性，将冷量以一定方式储存起来．在电力负荷较高时，即用电高峰期把已经储存的冷量释放出来，以满足用户的需要．这样，制冷系统都是在用电低谷期耗电，与普通空调相比，冰蓄冷空调系统能够均衡电网峰谷负荷，而且恰好解决了使用户用太阳能出现的问题[9]．

空调系统主要由两大部分组成，一部分是制冷装置，另一部分是风机盘管系统．冰蓄冷空调系统的组成部分包括：制冷主机(双工况机组)，蓄冷设备，用户风机盘管系统．太阳能光伏供电系统+冰蓄冷空调系统的结构如图1所示．

图1 冰蓄冷空调结构示意图

由于户用光伏和冰蓄冷空调的特点是：白天光伏发电，冰蓄冷空调的制冷设备工作蓄冰；到了夜晚，将白天储存的冷量释放制冷，故冰蓄冷空调系统与常规空调相比效率偏低．但冰蓄冷空调工作特性是在用电低谷时工作，储存冷量，而在用电高峰时只有辅助设备工作进行冷量释放，从而避开了用电高峰，缓解了电网供电压力，起到了削峰填谷的作用，而且对提高发电设备效率和保护环境都有巨大的社会经济效益[10]．

2 系统模型与控制流程

光伏发电离不开光照，而且在太阳光强的时候，系统的发电能力较强；在太阳光弱的时候，系统的发电能力较弱．太阳能发电的这种特点导致了光伏发电不是恒定的，而是一个随机的过程，随着当时天气情况的不同，系统所产生的电能多少也不一样，是不受控制的．

光伏电池的发电功率为：

Pm=I·S·η·[1-α(T-25)]

(1)

式中，I为板面接受的光照强度；S为光伏电池面积；α为温度系数；T为组件温度；η为光伏发电系统的损耗率，常规因素包括组件光电转化率、表面灰尘的损失、电池方阵组合的损失、最大功率点偏离损失、逆变器的转换损耗、线路损耗等．

太阳能光伏发电系统产生的电能随时间变化的曲线如图2所示．

图2 不同时间光伏发电系统产生的电能

从图2可以看出，光伏发电系统发电主要集中在早上6：00至晚上18：00这段，其他时间光伏系统不产生电能．其中因为早上6：00和晚上18：00光伏系统接收的太阳辐射最小，因此光伏系统输出功率最小，正午12：00的光伏系统接收的太阳辐射量最大，对应最大的输出功率[11]．理论上跟随太阳光的强度，光伏发电应类似于正态分布，但从图中可以看出光伏发电有些时段受天气变化影响波动较大，光伏发电是不确定的，是一个随机的过程．

相比之下，冰蓄冷空调的工作情况是可控的，用户可以选择在某一时间使其工作在某一个状态，可以控制冰蓄冷空调系统白天的储冰量多少．储冰量的多少与空调系统的制冷机组的工作状态有关，而冷源系统的工作状态取决于白天太阳能产生的电能多少．冰蓄冷空调系统的蓄冰量V为

V=E-Ee=E-V·ηe=E/(1+ηe)

(2)

式中，E为空调系统接收到的能量，这里指光伏系统产生的电能；Ee为在储冰过程中换热损失的能量；ηe为储存单位冷量损失的能量．

由公式(2)可知，冰蓄冷空调系统的蓄冰量多少取决于光伏系统产生的能量多少，空调系统可以根据光伏系统在白天产生的能量储存冷量．太阳能光伏系统产生的电能是随太阳光照强度变化的，是不确定的，且只在白天才产生电能，夜晚不产生电能．而居民区用电的高峰期却是在夜晚，所以令冰蓄冷空调在白天的时候利用太阳能光伏产生的电能进行储冰．

由上面的分析可知，光伏发电是不确定的，但光照强度和制冷负荷之间存在着一定的关系：在阳光不充足的时候系统产生的电能较少，冰蓄冷空调在白天利用光伏产生的电能只能储存较少的冷量，但在这种阳光不足的情况，天气往往比较清凉，夜晚使用空调时不需要太多的冷量，能够满足用户的需求；而在天气较炎热时，阳光的强度也较大，光伏产生的电能较多，冰蓄冷空调在白天储存的冷量也十分充足，能够满足用户夜间降温的需要．根据图2可知光伏发电具有随机性，在光照弱时制冷机组制冰功率下降，制冰时间延长，但只要当日储存足够的冷量即可．若是系统预测光伏产生的电能不足，无法储存足量的冷量，系统将接入市电进行制冷储冰．太阳能光伏发电系统和冰蓄冷空调系统结合使用的控制流程如图3所示．

通过这种方法，就可以使光伏白天产生的电能在夜晚得到充分的利用，解决了光伏发电系统存在的逆调峰的问题．此外，由于冰蓄冷空调是在用电低谷时进行储冰，在用电高峰时融冰制冷，大大缓解了电网运行的压力，起到了削峰填谷的作用．

图3 光伏和冰蓄冷空调系统的控制流程

3 光伏+冰蓄冷空调系统经济性分析

冰蓄冷空调的经济效益包括用户经济效益和社会经济效益两部分．本文主要对用户的经济性进行分析．

3.1 社会经济效益

在电网侧，由于冰蓄冷空调的使用，实现了削峰填谷的作用，减轻了电网的运行压力，因此调峰电站的容量及输电设施的容量可以适当的减小，可以节约不少的电力设施投资成本．而且减少了用电峰谷差，使电网侧的用电负荷趋于平稳，发电站常用发电机组负荷率均衡，发电效率明显提高，减少了能源的消耗，也就减少了污染物的排放，一定程度上保护了地球环境[12]，对社会的可持续发展具有重要意义．

3.2 用户经济效益

投入一套空调系统运行，费用由两部分组成：初投资和运行费用．初投资指购买空调设备所需的费用，运行费用指的是系统运行所需的电费和维护费用等．

与常规空调相比，冰蓄冷空调增加了蓄冰装置、热交换器等设备，因此冰蓄冷空调系统的初投资一般比普通空调高5%～20%．由于空调的维护费用都相差无几，冰蓄冷空调和普通空调运行费用相差较大的是运行所消耗的电费，所以运行费用的比较只需要考虑电费即可．冰蓄冷空调系统储冰过程和换热过程会有一定的损耗，总的耗电量比普通空调高，效率偏低，但是由于冰蓄冷空调耗电主要发生在用电低谷期，再配合光伏系统的使用，其运行费用和普通空调相比大幅度降低．

前面已经提到，空调系统主要由制冷装置和风机盘管系统组成，而冰蓄冷空调与普通空调系统的投资差别主要在制冷装置(冷源系统)，所以在进行经济性分析时，集中冷源系统的经济分析．

本文主要对比两种空调系统在寿命期内的初投资和年运行费用．假设在空调寿命期内电网电价不变，且冰蓄冷空调初投资增加只考虑由于蓄冷装置的差额，空调部分按普通空调系统计算．

1)初投资：主要包括设备购置费、安装费和电力增容费等．冰蓄冷空调系统和普通空调系统的初投资为：

C1=F1+Z1

(3)

C2=F2+Z2

(4)

式中，F1、F2分别为冰蓄冷空调系统和普通空调系统的设备投资；Z1、Z2分别为两种系统的设备运杂费和电力增容费．设备安装费等和电力增容费通过文献书籍资料可以查询[13]．

2)运行费用：由于电力部门实行三段式峰谷分时电价政策，冰蓄冷空调系统利用低谷段的低价电蓄冰，在高峰段释冷，比普通空调系统节约电费．由于每年的电价保持不变，维修费按设备价格的5%计算．

冰蓄冷空调系统和普通空调系统年运行总费用分别为：

Y1=D+Dd1+0.05F1

(5)

Y2=D+Dd2+0.05F2

(6)

式中，D为基本电费；Dd1为冰蓄冷空调系统年运行电费；Dd2为普通空调系统年运行电费．

普通空调年运行电费为：

Dd2=N(HQh+MQm+LQl)

(7)

式中，H、M、L分别为高峰期、正常期、低谷期电价；N为年空调运行时间；Qh、Qm、Ql分别为普通空调系统设计日高峰期、正常期和低谷期冷负荷．

冰蓄冷空调年运行电费为：

(8)

式中，Qxh、Qxm、Qxl和Qdh、Qdm、Qdl为冰蓄冷空调系统中对应三段式电价结构，蓄冷供冷负荷和直接运行供冷负荷．

4 计算结果分析

本文将一个地区的空调系统统一进行分析，空调夏季工作时间为120 d．基本电价为12元/月，该地区电价采用三段分时电价，其电价见表1[14]．冰蓄冷空调的配置及用电情况见表2、表3．

表1 分时电价表

表2 冰蓄冷空调系统的配置及概算

表3 蓄冷空调系统设备日耗电量情况

普通空调系统的配置及耗电情况见表4～5．根据表2～5和公式(3)～(4)可以得到，冰蓄冷空调系统和普通空调系统的初投资情况，见表6．由公式(7)～(8)可以得到两种系统的年运行费用，见表7．

由前面得到的数据和公式(5)～(6)可得，两种系统的年运行总费用见表8．

表4 普通空调系统的配置及概算

表5 普通空调系统设备日耗电量情况

表6 初投资费用情况

表7 年运行电费情况

表8 年运行总费用

冰蓄冷空调系统增加的初投资ΔC和全年节省的运行费用ΔY为：

ΔC=C1-C2

(9)

ΔY=Y2-Y1

(10)

由公式(9)～(10)可得回收期限n为[15]：

n=ΔC/ΔY

(11)

由以上两种系统的对比分析可知：

1)从表6可知，冰蓄冷空调系统设备初投资及安装费用等比常规空调多13.83%，可见冰蓄冷空调系统的初投资更多；

2)由于冰蓄冷空调系统低谷用电的工作特性，根据表8可得，该系统的年运行总费用比常规空调少27.85%；

3)根据表6～7和公式(11)可以得到回收期限n=2.54<5，静态经济评价法一般认为投资回收周期在5年内为经济可行[16]，在回收期后每年节省的运行电费就是该系统产生的经济效益，而且回收期限与电网峰谷电价差有关，如果加大峰谷电价差，回收期限将会缩短，将会获得更大的经济效益；

4)由表7可知高峰负荷用电转移率为(ep-ei)/ep=80.723%，其中ep为普通空调峰段日用电量，ei为冰蓄冷空调峰段日用电量．光伏+冰蓄冷空调系统避开了电网的用电高峰，减轻了电网的供电压力．

冰蓄冷空调比普通空调更经济，且由于户用太阳能和冰蓄冷空调的使用，用户可以使用自家太阳能光伏产生的电能进行空调制冷，而不需要全部从电网进行购买电能，从而极大减少了购电的费用．

而且由于居民白天往往外出工作，夜晚才回到家中用电，这正与太阳能发电的时间相反，导致了太阳能光伏产生的电能得不到利用，弃光率较高，而夜晚达到了用电高峰，这时太阳能光伏系统不能发电，居民只能购买市电，增加了用电费用．冰蓄冷空调的使用恰恰解决了这个问题，白天太阳能光伏发电，冰蓄冷空调利用太阳能发出的电能进行制冰，储存起来；到了夜晚，太阳能光伏停止发电，冰蓄冷空调不再进行制冰，而是将白天储存的冷量进行释放达到制冷的效果满足人们的要求．太阳能光伏+冰蓄冷空调系统这种运行模式既没有浪费白天太阳能光伏产生的电能，又实现了将太阳能产生的电能用在了用电高峰的夜晚，从而实现了削峰填谷，并解决了太阳能光伏的逆调峰．

5 结 论

由于天气热时光照强度较大，光伏产生的电能较多，系统蓄冰制冷能够满足居民的需求；光照强度弱时，光伏产生的电能少，蓄冰量少，但是天气往往比较清凉，能够满足居民生活的需要．同时，使用光伏+冰蓄冷空调系统虽然初投资比普通空调系统高13.83%，但年总运行费用比普通空调系统少27.85%，冰蓄冷空调系统的回收期限n=2.54<5，在回收期后每年节省的运行电费就是该系统产生的经济效益．而且光伏+冰蓄冷空调系统是在用电低谷工作，移峰率高达80.723%，提高了太阳能的利用率，实现电网削峰填谷，缓解供电压力及电网升级改造．而且对用户来说还可以省去购电的费用．

目前冰蓄冷空调容量大，只能应用在商场等大型场合或多个用户共同使用，随着光伏+冰蓄冷空调系统技术的研究和发展，系统的容量可以减小，户用系统将成为可能．配合分时电价政策的推广，光伏+冰蓄冷空调系统将具有广阔的发展前景．

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